熱熔型3D列印材料簡介

塑膠工業技術發展中心副理宋銘憲。

任何產品的製造，不僅需要能夠良好運作的製造設備，製作所用的材料也是息息相關。塑膠工業技術發展中心副理宋銘憲指出，在3D列印使用的材料中，塑膠與其它材質比較，塑膠具有加工溫度低、便宜、種類多的特性，所以應用範圍才會比較廣泛。方興未艾的3D列印技術發展，設備與材料的發展，關係也是相當密切，兩者相輔相成。

如最早的3D列印製造技術，是由美國3D Systems公司約在1988年提出的光固化成形(Stereolithography Apparatus；SLA)法，使用的材料為液態的光硬化樹脂；1990年美國Stratasys開發的熔融沈積法(Fused Deposition Modeling；FDM)，則是將絲狀的聚合物或蠟(wax)以細小的噴嘴噴出；1991年美國Helisys開發的薄片疊層法(Laminated Object Manufacturing；LOM)，則是以紙張為原材。

美國德州大學奧斯汀分校(University of Texas-Austin)則是開發出選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering；SLS)技術，材料可為聚氯乙烯(polyvinylchloride)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚酯(polyester)、聚氨酯(polyurethane)、ABS、尼龍(nylon)、精密鑄造的蠟等粉末，成本比SLS法的液態樹脂低，DTM也已將其商品化並銷售機器，其特點就是提高材料的選擇性。

由於材料的發展會影響3D列印技術的發展，要深入了解3D列印技術，並掌握應用的秘訣，列印原理與材料的關係，都需要加以熟悉。宋銘憲說明熱熔技術原理，主要是透過噴嘴噴出熱熔材料，然後在成型平台完成製作過程，因為射出溫度高，所以整個過程都要能夠耐熱。

此外，由於3D列印設備的噴嘴孔非常小，材料要有流動性，才能快速噴出。熔融材料的流變可說是影響3D列印品質的關鍵，材料如果流動的不穩定，可能會造成第一層及第二層在成型時出現堆疊的誤差，自然就會影響成品品質。

由石油提煉出來的ABS(Acrylonitrile-butadine-styrene)，是3D列印相當常見的材料。ABS是由丙烯腈、丁二烯及苯乙烯這3種單體的聚合，產生具有兩相的三元共聚物，一個是苯乙烯—丙烯腈的連續相，另一個是聚丁二烯橡膠分散相，ABS塑膠原料的特性，主要取決於3種單體的比率及兩相中的分子結構。

宋銘憲表示，每種單體都具有不同特性：丙烯腈有高強度、熱穩定性及化學穩定性；丁二烯具有堅韌性、抗衝擊特性；苯乙烯具有易加工、高光潔度及高強度，使用者可以透過調整不同的單體，調整彎曲強度、彈性率等特性。

PLA(聚乳酸纖維)則具備生物基的特性(可從玉米澱粉提煉)，不是從石油提煉，且於自然界中可生物分解，對環境的衝擊，相對於其他材料要比較友善，PLA還具有低收縮率、有透明度及生物相容性，而且流動性非常好，也因此成為3D列印的熱門材料。

尼龍(Nylon)是一種強大而靈活的工程塑膠，在化學上屬於聚醯胺類物質，耐衝擊性大，耐磨耗性最優秀，具有自己潤滑的特性，耐熱性佳，高溫使用下不易熱劣化。有良好之防火特性，最小層厚為1mm，自然色彩為白色，但製作者可以很容易的添增色彩。

至於尼龍與3D列印技術的關係，宋銘憲指出，尼龍在加熱後，黏度的下降會比較快，因此從3D列印噴嘴噴出來時，比較容易流動。尼龍系列很多，其中又以尼龍6最常使用，因其具有高熔點特性，耐熱性佳，不易加熱熔解，製作出來的成品在高溫下，材質也不易產生變化。

玻璃纖維補強尼龍(Glass filled polyamide；PA-GF)的特性，則是使用PA粉末填充玻璃顆粒(PA-GF)，具有更高的耐熱性，通常用於需要負荷較高溫度的功能測試項目；耐衝擊聚苯乙烯(High impact polystyrene；HIPS)的材質比較硬，耐衝擊強度高，更具有低殘留單體量、耐熱性佳、底色穩定、良好加工性及高流動性等特色。

聚碳酸酯(Polycarbonate；PC)是一種非晶體工程材料，具有特別好的抗衝擊強度、熱穩定性、光澤度、抑制細菌特性、阻燃特性以及抗污染性。PC有很好的機械特性，但流動特性較差，因此這種材料的注塑過程較困難。在選用何種品質的 PC材料時，要以產品的最終期望為基準。如果塑件要求有較高的抗衝擊性，那麼就使用低流動率的PC材料；反之，可以使用高流動率的PC材料，這樣可以優化注塑過程。

聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol；PVA)則是一種水溶性材料，可以被生物分解，主要是充當3D列印時的支撐材料用。分類上可以分為完全鹼化及部分鹼化，應用時要考慮水溫高低。因其對熱的敏感性高，加工溫度或螺桿組態如果沒有調整好，材料就可能容易裂解。

Alumide則是用尼龍混合鋁粉所製成的材料，它採用逐層燒結的方式將鋁粉凝固，材料紋理較為粗糙，有近似水泥或石材的質感，另一種經打磨的尼龍混合鋁粉材料，比原先的平滑一些，可以讓列印出的成品有金屬的質感，具有鋁的顏色，適合列印珠寶及飾品。

熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer；TPE)則可依化學組成，分為苯乙烯系彈性體(Styrenic；TPS)、聚烯烴系彈性體(Olefinic；TPO)、聚胺基甲酸酯系彈性體(Urethane；TPU)、聚酯系彈性體(Ester；TPEE)及聚醯胺系彈性體(Amide；TPAE)。

宋銘憲指出，TPE因為具有高彈性特色，所以比較不好加工，如TPU即較為耐磨，但不耐紫外線光，因此用TPU製成的成品，容易會有黃化現象，同時也有相當不錯的耐溫範圍，但在耐低溫(最低-20°C)的表現還不錯，耐高溫(80°C)就比較差一點。

樹脂(Resin)則是由液態光致聚合物(Photo polymeric liquid)製得，細節表現極佳且有平滑表面，但因為是剛性材料，模型通常較適合用於展示，不適合作為功能性用途。

宋銘憲強調，3D列印的材料與設備之間要好好搭配設計，要跟設備配合，整體一起銷售，產品才能走出差異化。一般而言，3D列印材料傾向選擇硬度比較軟、流動速度比較快，熔點溫度比較低，要掌握3D列印材料，就要掌握材料配方，如只要能掌握合膠或複合材料，就可以延伸更多製造領域，而添加劑更是3D列印材料發展非常重要的方向，如添增滑劑，可能會讓3D列印的成品，出現與現在很不一樣的產品，因而影響3D列印技術的走向。